【问题描述】如图I所示的桁架结构，L1-10长为1m，L10-9长也为1m。桁架各单元横截面如图II所示。材料弹性模量E=210GPa，泊松比μ=0.3，承受载荷的方式为在点8处施加竖直向下的集中力载荷F=60000N，约束为结点1处约束X、Y方向的自由度，结点5处约束Y方向的自由度。
图I 桁架结构示意图
图II 桁架各单元横截面示意图
【要求】在ANSYS Workbench软件平台上，建立该零件的几何模型，进行网格划分、施加边界条件以及静力有限元分析，最终得到桁架位移云图。
1.分析系统选择
（1）运行ANSYS Workbench，进入工作界面，首先设置模型单位。在菜单栏中找到Units下拉菜单，依次选择Units>Metric（kg,m,s,℃，A，N,V）命令。
（2）在左侧工具箱【Toolbox】下方“分析系统”【Analysis Systems】中双击“静力结构分析”【Static Structural】 系统，此时在右侧的“项目流程”【Project Schematic】中会出现该分析系统共7个单元格。相关界面如图1所示。
图1 Workbench中设置静力分析系统
2.输入材料属性
操作步骤如图2所示。
（1）在右侧窗口的分析系统A中双击工程材料【Engineering Data】单元格，
进入工程数据窗口。
（2）在已有工程材料下方的单元格“点此添加新材料”【Click here to add a new material】中输入新材料名称truss。
（3）在左侧工具箱下方双击“各项同性线弹性”选项：【Linear Elastic】>【Isotropic Elasticity】。
（4）在弹出的材料属性窗口中输入弹性模量以及泊松比的数值：【Young’s Modulus】=2e+11Pa,【Poisson’s Ratio】=0.3。 （5）点击“项目”【Project】选项卡返回项目流程界面。
图2 输入材料数据
3.创建几何模型
（1）双击分析系统A中的“几何”【Geometry】单元格。
（2）在菜单栏中依次选择Units>Meter，确认以“米”作为建模单位。之后，单击树形目录中的【XYPlane】，再单击工具栏中的“创建草图”选项即
选项
以创建草图，此时【XYPlane】分支下出现了名为“Sketch1”的草绘平面。如图3所示。
图3 创建草绘平面
（3）右键单击Sketch 1，在弹出的选项卡中选择“正视于”【Look at】选项，即
，切换视图以方便之后的建模。
（4）单击树形图下端的【Sketching】选项卡，打开草图绘制窗口。之后按照给定的模型在草绘平面上绘图：选取“矩形”【Rectangle】工具，即图形区点击鼠标左键，拖放鼠标画出矩形。如图4所示。
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图4 图形区绘制草图
（5）单击草图工具箱中的【Dimensions】菜单栏，之后在图形区的矩形的边上拖放鼠标显示水平尺寸H1、H2、H3、H4以及垂直尺寸V5。之后在左下方的【Details View】中分别设置这些边的尺寸。如图5所示。
图5 尺寸参数设置
（6）回到草图工具箱的【Draw】菜单栏，利用“直线”【Line】工具，即连接几个矩形的对角线继续完成草图。完成图如图6所示。
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图6 完成的草图
（7）为将草图创建为线体，首先在菜单栏中找到概念模型【Concept】菜单，依次选择【Concept】>【Lines From Sketches】。之后在树形目录中选择已生成的草图【Sketch 1】，再点击明细窗口中的【Base Objects】中的【Apply】按钮，确认创建线体的草图。如图7所示。
图7 线体创建步骤
（8）点击工具栏中的【Generate】按钮，此时展开树形图中的【1Part，1Body】就可以看见刚才选择创建的线体。
（9）依次选择菜单栏中的【Concept】>【Cross Section】>【Circular Tube】，以创建桁架单元的环状横截面。
（10）此时，在图形区中出现了两个同心圆，这就是桁架单元的横截面，在左侧明细窗口下的【Dimensions】下设置两个圆的尺寸：内圆半径为0.011m，外圆半径为0.015m。如图8所示。
图8 设置横截面尺寸
（11）展开树形图中的【1Part，1Body】，单击其下的线体【Line Body】，在明细栏窗口中的【Cross Section】中选择刚才建立好的横截面【Circular Tube 1】，完成桁架横截面的设置，此时，依次选择菜单栏中的【View】>【Cross Section Solids】选项可以看见横截面实体。如图9所示。 （12）至此，建模步骤完成。
图9 将横截面添加给线体
3.网格划分
（1）双击Workbench界面中模型【Model】单元格，进入【Mechanical】的静力分析模块。
（2）为了给桁架分配材料，在树形图中展开【Geometry】，单击其下的【Line Body】，在明细栏窗口中的【Material】的【Assignment】中选择已经设置好的材料【truss】。如图10所示。
（3）在树形图中选择【Mesh】，此时活动工具栏变为了划分网格相关操作。依
次选取工具栏中【Mesh Control】>【Sizing】，以编辑网格尺寸。 （4）在菜单栏中选定【选择体】，即
Body按钮。然后单击选定视图栏中的模
型。此时选定的模型变成绿色。在明细栏中【Geometry】后面选项中选择【Apply】，此时视图中选定的模型变为蓝色；在【Element Size】中可以设定要划分单元的大小，此处设置为0.005m。单击工具栏上的【Update】即等待网格划分结束。如图11所示。 （5）至此，网格划分步骤完成。
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图10 为桁架分配材料
图11 设置网格尺寸
4.施加载荷、约束以及求解
（1）单击树形图中的【Static Structural】，进入静力分析环境。
（2）施加边界条件，问题中的“点1”X、Y方向的自由度。依次选择工具栏中的【Supports】>【Displacement】，之后选择【Vertex】工具，即
选
项，在右侧图形区中选择“点1”，之后在明细栏中的【Geometry】处选择【Apply】确认所选点；在明细栏的【Define By】中选择【Components】，并将下方的【X Component】以及【Y Component】后改为0m。如图12所示。
图12 对点添加约束
（3）用同样的方法对“点5”施加约束，不同的是这里只Y方向的自由度，过程类似本小节（2）中步骤，在此不再赘述。
（4）对问题中的“点8”施加集中力。依次选择工具栏中的【Loads】>【Force】选项，之后选择【Vertex】工具，即
选项，在右侧图形区中选择“点8”，之
后在明细栏中的【Geometry】处选择【Apply】确认所选点；在明细栏的【Define By】中选择【Components】，由于这里力的方向与Y轴正方向相反，因此在下方的【Y Component】后输入-60000N。如图13所示。
图13 添加集中力载荷
（5）点击工具栏中【Solve】进行求解。 （6）至此，施加载荷及求解步骤完成。
5.查看桁架变形结果
（1）单击树形图中的【Solution】，进入求解结果环境。
（2）依次选择工具栏中的【Deformation】>【Total】选项，以查看桁架的整体变形，此时【Solution】下出现了【Total Deformation】分支。
（3）右键单击【Total Deformation】，选择【Evaluate All Results】选项得到桁架的位移云图。如图14所示，可以看出，其最大位移在桁架中部，其值为5.8731×10-3m。
（4）至此，利用ANSYS Workbench对桁架进行静力分析完成。
图14 桁架位移云图
